Poziomy wrażliwości na wilgoć w komponentach elektrycznych

Różnorodne materiały używane do konstrukcji komponentów elektrycznych mogą z czasem absorbować wilgoć z powietrza. Problem ten pojawił się początkowo przy wprowadzeniu lutowania reflow, gdzie komponenty są poddawane nagłym wysokim temperaturom przez krótki czas. Sytuację pogorszyło przejście na lut bezołowiowy, co skutkowało wyższymi temperaturami szczytowymi podczas procesu reflow. Inne czynniki, które zwiększyły powszechność wrażliwości na wilgoć, to tańsze i cieńsze materiały, takie jak tworzywa sztuczne, które mają gorsze właściwości niż droższe hermetyczne materiały, które były tradycyjnie używane.

Wilgoć może wyparować i uszkodzić komponenty. Może to przybrać formę mikropęknięć osłabiających obudowę komponentu, całkowitego pęknięcia prowadzącego do oddzielenia części komponentu, lub łuszczenia się powierzchni między podkładką a jej żywiczną pokrywą. Niezależnie od rodzaju uszkodzenia, wynikiem jest konieczność wymiany komponentu.

Jednym z wyzwań jest to, że uszkodzenia spowodowane przez parowanie wilgoci mogą nie być od razu widoczne i pojawiają się dopiero po zmontowaniu urządzenia i przetestowaniu. Mogą być na tyle drobne, że urządzenie wydaje się działać poprawnie, tylko aby przedwcześnie zawiodło podczas późniejszej eksploatacji. Zazwyczaj pęknięcia występują tam, gdzie obudowa jest najcieńsza, co w przypadku komponentów montowanych powierzchniowo zwykle znajduje się po spodniej stronie, blisko PCB, a zatem poza zasięgiem wzroku. Podobnie mikropęknięcia, chyba że znajdują się na powierzchni na widocznej części komponentu, również nie będą widoczne gołym okiem.

Głównym problemem jest uszkodzenie spowodowane przez parowanie wilgoci w mikrokontrolerach i innych złożonych urządzeniach. Delikatne metalowe przewody od rdzenia i pady montażowe powierzchniowe są zazwyczaj zatopione w plastiku. Jakiekolwiek pęknięcie tego opakowania mogłoby spowodować złamanie przewodu, co zostałoby wykryte dopiero, gdy MCU zacznie działać, chyba że jest to pin zasilania.

Jak często występuje ten problem?

Prawdopodobieństwo wystąpienia tego problemu zależy od rodzajów materiałów opakowaniowych użytych oraz czasu, przez który komponent jest narażony na wilgoć. Głównie chodzi o to, jak długo komponent jest przechowywany, jak jest chroniony i w jakich warunkach środowiskowych jest przechowywany podczas fazy magazynowania. Gdy komponent opuszcza magazyn i jest wyjmowany z opakowania ochronnego, zależy to od jego czasu życia na hali produkcyjnej. Jest to czas, przez który jest narażony na warunki środowiskowe i jakie są te warunki.

Tempo, w jakim wilgoć może wnikać do komponentu, zależy od jego wilgotności i temperatury. Im wyższa temperatura, tym szybciej wilgoć obecna w środowisku przeniknie przez materiał opakowaniowy. Ta absorpcja trwa, dopóki stężenie wilgoci w materiale nie zrówna się ze stężeniem wilgoci w środowisku. Im wyższa wilgotność względna, tym większa ilość wilgoci zostanie wchłonięta.

Czas ekspozycji podczas produkcji komponentu i okres po jego zamontowaniu na płytce PCB gotowej do lutowania reflow można uznać za znikomy w porównaniu z czasem magazynowania i czasem od wyjęcia z magazynu do momentu montażu na PCB. Kluczowymi czynnikami środowiskowymi są wilgotność, temperatura i długość tego czasu.

Wykorzystanie materiałów opakowaniowych wrażliwych na wilgoć obejmuje komponenty hermetyzowane, takie jak układy scalone i czujniki, i rozciąga się na złącza oraz PCB. Tylko sprawdzając kartę katalogową każdego elementu w urządzeniu, będziesz mógł na pewno wiedzieć które części są wrażliwe na wilgoć.

Okres Przechowywania

Wszystkie komponenty wrażliwe na wilgoć powinny być wysyłane w zamkniętych opakowaniach ochronnych, zazwyczaj z żelem pochłaniającym wilgoć i w atmosferze obojętnej. Opakowanie wskaże maksymalny czas, przez który komponent może być przechowywany, zwykle jest to kilka lat. Części szczególnie wrażliwe na wilgoć są zazwyczaj wysyłane z wskaźnikami wilgotności dołączonymi do opakowania, aby zapewnić wizualną wskazówkę stanu części. Dopóki opakowanie ochronne nie jest uszkodzone, a warunki środowiskowe magazynu mieszczą się w specyfikacji, powinno to być nie różne od obsługi jakiegokolwiek innego typu komponentu.

Poziom Wrażliwości na Wilgoć

Zdefiniowano standaryzowane poziomy wrażliwości na wilgoć (MSL), aby określić, które części są wrażliwe na wilgoć. Te poziomy określają, jak długo komponent może być wystawiony na otoczenie o pokojowej temperaturze i wilgotności, zanim zostanie negatywnie wpływany przez wilgoć. Tutaj, przez otoczenie rozumie się poniżej 30^oC i poniżej 60% wilgotności względnej, z wyjątkiem nieograniczonego MSL 1, który jest definiowany jako poniżej 30^oC i poniżej 85% wilgotności względnej.

Co to jest wypiekanie komponentów?

Stosowanie wolnego i delikatnego ogrzewania na komponent wrażliwy na wilgoć może wyciągnąć z niego wilgoć bez powodowania uszkodzeń. Te komponenty będą poddawane procesowi wypiekania jako część procesu produkcyjnego przed umieszczeniem ich w ochronnym opakowaniu do przechowywania. Dla komponentów, które wymagają wypiekania przed użyciem, powtórzenie tego procesu wypiekania delikatnie usunie wszelką dodatkową wilgoć, aby „zresetować” zawartość wilgoci komponentu przed lutowaniem. Temperatura wypiekania i czas, przez który komponent musi być wypiekany, będą zależeć od materiału użytego do produkcji komponentu, jego grubości oraz zawartości wilgoci. Nie jest rzadkością, aby proces wypiekania trwał kilka dni.

Jednym kluczowym czynnikiem, o którym należy pamiętać, jeśli potrzebujesz wypiec komponent, jest to, że proces wypiekania, jeśli nie zostanie przeprowadzony prawidłowo, może spowodować utlenienie padów lutowniczych, co prowadzi do słabej łączności po lutowaniu.

Czy moja płyta PCB zostanie dotknięta?

W zależności od typu używanej płytki PCB, może ona również być wrażliwa na absorpcję wilgoci i podlegać podobnym uszkodzeniom podczas procesu przepływu ciepła. Wrażliwość zależy od materiałów użytych do konstrukcji podstawowej laminatu, grubości materiałów, liczby warstw oraz zaprojektowanego układu ścieżek. Zazwyczaj FR4 jest uważany za odporny na wilgoć, podczas gdy Kapton jest wrażliwy na wilgoć. Czynniki takie jak powierzchnia miedzi, grubość ścieżek, stosunek aspektu przewlekanego otworu, oraz stosowanie powłok powierzchniowych mogą mieć wpływ.

Zarządzanie wrażliwością na wilgoć

Ogólna rada brzmi, aby ostrożnie obchodzić się z komponentami i płytą PCB, przechowywać je w środowisku o niskiej wilgotności przez jak najdłuższy czas ich użytkowania. Postępuj zgodnie z radami w karcie katalogowej i na opakowaniu, a nie powinieneś popełnić dużego błędu. Jeśli żywotność na magazynie jest problemem, rozważ inwestycję w tymczasowe rozwiązanie magazynowe, które utrzyma wszystko w jak największej suchości. Szafy z osuszaczem są świetnym i elastycznym rozwiązaniem, które nie nadwyręży budżetu. Regulują one względną wilgotność wewnątrz, używając aktywnego wydobycia wilgoci lub prostego, wielokrotnego użytku środka osuszającego. Jeśli pieniądze nie są problemem, to rozwiązanie magazynowe, które zastępuje wewnętrzne powietrze obojętnym azotem, oferuje alternatywne rozwiązanie.

Czy chciałbyś dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium Designer® może pomóc Ci w Twoim kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.